5.1.7 Grenzschicht
The boundary layer
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Wie Flüssigkeiten besitzen auch Gase eine (wenn auch kleine) Zähigkeit. Daher entstehen bei der Umströmung eines Körpers zwischen dessen Oberfläche und den Luftmolekülen Reibungskräfte. Auch zwischen benachbarten Luftmolekülen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit kommt es zu Reibung; den Reibungswiderstand kennst du ja schon.
Die Folge der Zähigkeit ist, ist, dass die Strömung in der Nähe des umströmten Körpers abgebremst wird und direkt an der Oberfläche die Geschwindigkeit Null hat. Die Luftschicht, in der die Strömungsgeschwindigkeit vom Wert Null an der Oberfläche bis zum vollen Wert ansteigt, nennt man Grenzschicht.
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Abb. 5.1.7.1 Grenzschicht
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Die Grenzschicht ist an der Nase des umströmten Körpers sehr dünn (nur wenige zehntel Millimeter). Mit zunehmendem Abstand von der Nase wird sie immer dicker. An der Hinterkante von Segelflugzeugflügeln ist sie mehrere (u.U. sogar viele) Zentimeter dick.
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Abb. 5.1.7.2 Zunahme der Grenzschichtdicke
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Die nachfolgenden Unterkapitel werden dein Interesse wecken
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5.1.7.1 Grenzschichtzustände
Different types
Beobachtet man die Luftmoleküle bei der Umströmung eines Körpers, so kann man meistens eine weitere Änderung feststellen: Im vorderen Bereich des Körpers bewegen sich die Moleküle auf ziemlich geraden, parallelen Bahnen, den sog. Stromlinien. Ihre relative Position zueinander bleibt dabei immer gleich. Diesen Strömungszustand bezeichnet man als laminar.
An irgendeiner Stelle ändert sich jedoch plötzlich der Charakter der Strömung. Zusätzlich zu ihrer Hauptbewegung führen die Moleküle kleine Bewegungen senkrecht zur Strömungsrichtung aus. Ihre Bahnen werden dadurch unregelmäßig, die relative Position der Moleküle zueinander ändert sich ständig. Diesen Strömungszustand bezeichnet man als turbulent.
Bemerkenswert ist, dass an einem Ort immer nur einer von beiden Strömungszuständen herrschen kann, entweder laminar oder turbulent. Der Übergang von laminar zu turbulent findet in einem sehr engen Bereich statt, daher können wir sagen, er ereignet sich plötzlich. Die Stelle, an der der Zustand der Grenzschicht von laminar zu turbulent wechselt, nennt man Umschlagpunkt.
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Abb. 5.1.7.1.1 Laminare und turbulente Grenzschicht
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Anstatt entlang gerader Stromlinien zu strömen, bewegen sich die Luftteilchen ab dem Umschlagpunkt auf unregelmäßigen, sich kreuzenden Bahnen. Dadurch vermischen sich schnellere Luftteilchen mit denen nahe der Oberfläche und erhöhen dort die Strömungsgeschwindigkeit. Die turbulente Grenzschicht wird dicker und das verursacht größeren Widerstand, weil dauernd bereits abgebremste Luftteilchen wieder beschleunigt werden. Eine turbulente Grenzschicht verursacht also einen wesentlich höheren Reibungswiderstand als eine laminare Grenzschicht. Aus diesem Grund wünschen wir uns, dass die Grenzschicht möglichst lange laminar bleibt.
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Abb. 5.1.7.1.2 Geschwindigkeitsverteilung in der Grenzschicht
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Aber gerade weil der turbulenten Grenzschicht laufend Energie von außerhalb zugeführt wird, hat sie auch einen großen Vorteil. Da sie energiereicher ist als die laminare Grenzschicht, kann sie größere Anstellwinkel vertragen, ehe es zum Strömungsabriss kommt.
Segelflugzeugflügel fliegen bei Reynoldszahlen zwischen dreihunderttausend und eineinhalb Millionen. Das ist ein großes Glück. Dadurch kann man Profile so auslegen, dass sie von einer langen laminaren Laufstrecke profitieren, aber die Grenzschicht noch rechtzeitig in den turbulenten Zustand umschlägt, dass ein hoher Anstellwinkel erreicht werden kann. Würde die Grenzschicht laminar ablösen, könnten wir nicht langsam genug fliegen und hätten zudem schlechtere Überzieheigenschaften.
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5.1.7.2 Laminare Ablöseblasen
Laminar bubble
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Leider kann bei manchen Profilen Folgendes vorkommen: Die laminare Grenzschicht löst ab. Die dabei entstehenden Wirbel wirken als Störung, die den Umschlag in den turbulenten Zustand verursacht. Die nun energiereichere turbulente Strömung legt sich wieder an und erreicht ohne Ablösung die Hinterkante. Der Langsamflug wird nicht beeinträchtigt, die Überzieheigenschaften sind in Ordnung. Nichts deutet darauf hin, dass zwischen der laminaren Ablösung und dem turbulenten Wiederanlegen eine laminare Ablöseblase existiert.
Diese laminare Ablöseblase erzeugt einen erheblichen Zusatzwiderstand, die Flugleistungen des Segelflugzeugs entsprechen nicht den Erwartungen.
Anker: laminare Ablösung = gdfgrenz2
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